Сообщества микроорганизмов в естественной среде

     Атака  микробов – возбудителей болезней  на человеческий или животный  организм происходит не всегда успешно и требует завоевания микроорганизмами их среды обитания (многие облигатные паразиты не могут существовать в иных условиях). Организмы и их органы активно защищаются от инфекции. Барьерами, препятствующими колонизации тканей высших организмов, оказываются разные вещества и структуры:

1. кожа защищается от поселения микробов жирными кислотами;
2. слизистая оболочка носа и глаз – лизоцином (ферментом, разрушающим клеточные стенки бактерий);
3. кровь – фагоцитами и антителами;
4. ткани рыб – протаминами;
5. корни растений – корковым слоем;
6. фрукты – кутикулой и кислотами;
7. деревья – смолами, танином;
8. ткани растений – фенольными соединениями, гликозидами.

     К  такой ситуации оказывается приспособленным  и микробный мир. Микробы поселяются  в организмах промежуточных хозяев. Часто хозяевами являются многие насекомые, нематоды (черви), животные (особенно опасны грызуны), птицы и даже человек

(бацилло- и  вирусоносители, оставаясь здоровыми,  опасны для окружающих). Промежуточные  хозяева составляют резервуар  (очаг) заболеваний, из которого часто развиваются эпидемии. Например, промежуточными хозяевами, составляющими очаг сибирской язвы, являются свиньи, овцы, крупный рогатый скот. Резервуары чумы связаны с грызунами. Переносчиками микробов – возбудителей болезней наиболее часто бывают членистоногие (клещи, вши, блохи). Сходные заболевания (например, лептоспирозы) передаются через разных хозяев (крысы, собаки, лошади).

     То, что характерно для человека  и животных, свойственно и растениям.  Здесь также имеются мирные  сожители – эпифиты – обитатели поверхности организмов. Болезнетворные микробы (фитопатогенные) вызывают заболевания растений, часто массовые (подобие эпидемий).

    Исключительный  случай взаимоотношения микробов  с другими организмами представляют  собой многочисленные примеры симбиоза (взаимополезного сожительства) микроорганизмов и высших организмов, стоящих на разных уровнях организации. Иногда даже трудно определить, является высший организм субстратом и микробы размножаются в нём либо, наоборот, высшие организмы паразитируют на микробах. Так, например, клубеньковые бактерии образуют на корнях растений (чаще бобовых) наросты, заселённые бактериями (растение – среда для бактерий). С течением времени бактерии разрушаются в клубеньках и растение использует вещества, запасённые микробами (паразитизм растения на бактериях). Подобных случаев можно привести много. В пищеварительном тракте насекомых (лучше изучены муравьи и термиты) имеется свой неповторимый ценоз (ассоциация микробных видов), так как эта крошечная «лаборатория» обеспечивает существование замкнутого микробного мирка в специфических условиях. Нормальное развитие некоторых высших организмов невозможно без содружества с микробами. Известно, что жучки-точильщики способны питаться древесиной, благодаря тому, что целлюлоза перерабатывается в кишечнике их сожителями – бактериями. Питание жвачных животных теснейшим образом связано с активной деятельностью сообщества строгих анаэробов – бактерий в рубце (отделе желудка), где они участвуют в переработке растительных кормов. Клещи, питающиеся кровью высших животных, имеют в своём теле специальный орган, переполненный симбиотическими бактериями, призванными переваривать кровь. Подобными органами обладают все сосущие соки растений Насекомые. Они имеют в своём теле до пяти разных симбиотических микробов. Удаление симбиотических бактерий может привести к гибели высший организм, так как нарушается обеспечение разными источниками пищи. Так, например, обыкновенный жёлтый таракан имеет симбиотические дрожжи, которые помогают ему усваивать минеральную серу. Как правило, симбиоз основывается на различиях в обмене веществ обоих компонентов.

     В конце ХХ века сформировалось представление об особой форме организации микрофлоры организма человека как хорошо организованном взаимодействующем сообществе микроорганизмов, покрывающих поверхности кишечной стенки, других слизистых оболочек, кожи и зубов человека. По некоторым оценкам, в общей сложности в организме человека насчитывается порядка 10 в 14 степени микроорганизмов, организованных в подобные сообщества. Это число в десять раз превышает число собственных клеток организма-хозяина, то есть - человеческих. Их общий вес составляет около 2 кг. К представлению о единых сообществах микроорганизмов, обитающих в нашем теле, привели первоначально обнаруженные и описанные подобные формы сосуществования микробов в окружающей нас среде. Оказалось, что микробы, во-первых, предпочитают жить, будучи прикрепленными к твердой поверхности, нежели свободно плавающими - как в водной среде, так и в воздухе. Во-вторых, они организованы в так называемые биопленки (Biofilm), сбалансированные по видовому составу и функциональному распределению членов сообщества. В природе биопленки распространены повсеместно. Также они выстилают нефтепроводы, аквариумы, постоянные катетеры, внутренние имплантаты, контактные линзы и протезы. Тонкое наслоение, формирующееся на зубах, - пример, хорошо знакомый каждому. Биопленки могут оказаться и очень опасными. Болезнь легионеров, унесшая жизни 29 человек в Филадельфии в 1976 г., оказалась связанной с бактериями биопленки, образовавшейся в системе кондиционирования воздуха.

     Развитие микроскопии и появление таких устройств, как однофокусный сканирующий лазер, позволило исследовать биопленки в их естественных состояниях. Микроорганизмы в биопленке существуют и ведут себя не так, как бактерии в культурной среде.

     Это взаимодействующая общность разных типов микроорганизмов, которые сгруппированы в микроколонии, окруженные защитным матриксом. Матрикс пронизан каналами, по которым циркулируют питательные вещества, продукты жизнедеятельности, ферменты, метаболиты и кислород. Все микроколонии имеют свои микросреды, отличающиеся уровнями рН, усваиванием питательных веществ, концентрациями кислорода. Бактерии в биопленке общаются между собой посредством химических раздражений (сигналов). Микроорганизмы в биопленке более устойчивы к антибиотикам, антимикробным средствам и другим активным агентам.

     Специальные исследования показали, что в биопленке по-иному, в сравнении с чистыми культурами бактерий, происходят их многочисленные физиологические процессы, в том числе продукция метаболитов и биологически активных веществ. Сообщество организует единую генетическую систему в виде плазмид - кольцевых ДНК, несущих поведенческий код для членов биопленки, определяющих их пищевые (трофические), энергетические и другие связи между собой и внешним миром. Последнее получило специальное определение как социальное поведение (quorum sensing) микроорганизмов.     Ещё в 60-е годы учёные выяснили, что микробы могут обмениваться информацией. К этому выводу пришли, исследуя поведение морских светящихся бактерий Vibrio fischeri. Оказалось, бактерии используют химическую систему связи, выделяя особые сигнальные вещества – феромоны. Их концентрацию они измеряют с помощью специфического рецептора.

     Реакция микроорганизмов на изменение условий окружающей среды в биопленке существенно отличается от реакции каждого отдельного вида в монокультуре. Такая организация обеспечивает ее физиологическую и функциональную стабильность и, следовательно, является залогом конкурентного выживания в экологической нише. В организме человека специфическое преимущество такой организации заключается в обеспечении гомеостаза органов, функциональность которых зависит от населяющих их микробов.

     Преимущество коллективного реагирования имеет и отрицательную сторону: таким сообществом трудно управлять извне. Например - лечить заболевания полимикробного происхождения, когда чувствительность к антибиотикам микроорганизмов, ассоциированных в биопленку, не соответствует таковой, определенной в лабораторных тестах на клинических изолятах чистых культур бактерий. Коллективный иммунитет биопленки практически сводит на нет возможность коррекции дисбактериозов с помощью пробиотиков (препаратов живых культур ключевых микроорганизмов кишечника: бифидобактерий, лактобацилл, энтеробактерий и других). Несомненно, они имеют эффект, но не всегда и не такой, как предполагалось.

    «  Теперь становится ясно, почему бактерии, сколько мы их ни травим, - а в фармацевтике одно супероружие спешит сменить другое, - хилее не становятся. Ведь сообща обитатели биоплёнок в тысячи раз устойчивее к действию антибиотиков, чем одинокие микробы. Антибиотики хоть и проникают внутрь биоплёнки, не истребляют там всех микробов. Выживают сильнейшие. Их потомки становятся основным населением колонии, а значит, та будет куда опаснее, чем прежде.

     В  2002 году американские микробиологи  Эллина Дренкард и Фредерик  Осьюбел опытным путём убедились,  что из безобидных бактерий можно путём впрыскивания в их колонию нескольких доз антибиотика получить опасных возбудителей заболеваний. Даже когда от колонии микробов остаётся несколько особей, это не помогает. Вскоре вырастет колония микробов, способных не погибнуть от лекарств,» - пишет А.Волков в статье «Таинственный космос бактерий».

     С тех пор, как учёные узнали, что опасны не микробы сами по себе, а их кворум – их роковое количество, стало ясно, что и бороться с ними можно иначе. Надо не уничтожать бактерии, а мешать им общаться друг с другом. Значит,  надо найти те особые вещества, которые подавляют химические сигналы микробов. Но для этого надо досконально понять их тайный язык.

     Ключевую  роль в общении микробов играют  определённые сигнальные молекулы. В январе 2003года удалось обнаружить, по-видимому, весьма важную в биологическом микромире молекулу – так называемую Autoinducer I-2. Это своего рода язык межвидового общения. На нём, как установлено, общаются между собой не менее полусотни различных видов бактерий, в том числе кишечная палочка (Escherichia coli).

     Другой  метод борьбы – найти вещества, которые деформируют сигнальную  молекулу; она не пристыкуется  к рецептору бактерии.

     Ещё  одна идея родилась после того, как в январе 2004 года был расшифрован геном микроба Bdellovibrio bacteriovorus. Этот микроорганизм – по своей природе хищник, но атакует не клетки высших организмов, а лишь бактерии. Он проникает внутрь микроба и пожирает его, а затем делится почти на полтора десятка клеток, которые тут же отправляются на охоту. Учёные уже прозвали этого микроба «живым антибиотиком». Вот только не окажутся ли некоторые  бактерии устойчивы к атакам микробов-убийц и не приведёт ли это к появлению новых, особенно стойких микробов, которые никаким хищникам не по зубам?

     Если  же надежды учёных сбудутся, то  в медицине произойдёт качественно  новый скачок. Как полагают исследователи,  успехи в изучении тайного  языка микробов позволят наконец  контролировать развитие эпидемий.  

     1.2 Абиогенные субстраты

     Главными средами  обитания и резервуарами микроорганизмов в природе являются, прежде всего почвы, придонные и прибрежные илы водоёмов, вода рек, озёр и океанов.

     1.21 Микрофлора воды

     Вода является естественной средой обитания микроорганизмов. Интенсивность размножения их в воде зависит прежде всего от содержания в ней органических веществ и растворённых минеральных, которые могут быть использованы теми или иными

микроорганизмами  в качестве питательных веществ. Чем больше в воде органических остатков, тем интенсивнее размножаются в ней   микроорганизмы.

     Загрязнение  водоёмов происходит главным  образом потоками воды, стекающей  с берегов, сточными водами  промышленных и бытовых объектов. Поэтому микроскопическая флора  водоёмов, по берегам которых  стоят населённые пункты и города, резко отличается в количественном и качественном отношении от микрофлоры водоёмов, находящихся вдали от населённых пунктов. Нередко наблюдается, что в речной воде, взятой в районе  крупного населённого пункта, насчитываются сотни тысяч и даже миллионы бактерий на 1мл. В то же время выше населённого пункта в 1 мл воды этой же реки содержатся лишь сотни, максимум тысячи бактерий.

     Самоочищение  речной воды от микрофлоры  по выходе из населённого пункта  обусловливается комплексом физико-химических и биологических факторов: разбавлением её чистыми притоками, уменьшением в ней питательных веществ вследствие минерализации органических соединений, оседанием на дно водоёма нерастворимых органических веществ и с ними микроорганизмов, а также механическим разрушением микробов (движением воды).

     Большое  влияние на состав микрофлоры  в воде оказывают физические  факторы: температура, рН, концентрация  солей, аэрация и проникновение  солнечных лучей.

     Подземные  воды (артезианская, ключевая) содержат мало микроорганизмов. Это объясняется тем, что вода, просачиваясь через почву, подвергается фильтрации, в результате которой очищается от микроорганизмов и от органических веществ.

     Наименьшая  плотность заселения микробами  характерна для океанических вод. Сюда со стоком рек постоянно вливаются струи, обогащённые микробами и органическим веществом, которые переносятся и распыляются течениями. Мировой океан, занимающий большую часть поверхности планеты, является собирателем и хранителем огромной микробной биомассы. Океанская толща воды играет роль скорее транспортного субстрата, места переживания, чем места активной деятельности микробов. Примером типичного транспортного субстрата может быть воздух.

     Атмосферные  воды (дождь, снег) сравнительно бедны микробами, особенно в местностях, где воздух свободен от пыли. В 1мл дождевой воды в сельской местности, где воздух мало содержит пыли и отсутствуют растворённые питательные вещества, редко удаётся обнаружить более 10 бактерий. В то же время в 1 мл осадков, выпадающих над городами, воздух которых насыщен пылью, можно насчитывать несколько сотен бактериальных клеток.

     Водопроводная  вода в зависимости от источника  водоснабжения содержит различное  количество микроорганизмов. Если  водопроводная сеть получает артезианскую воду, то бактерий в ней немного, если же вода поступает из открытого водоёма (река или озеро), то она должна подвергаться очистке путём фильтрации и обезвреживанию хлорированием.

     Промышленные  и бытовые воды, особенно целлюлозно-бумажных, нефтяных, химических и других предприятий, в значительной степени могут загрязнять водоёмы, ухудшая их физико-химические свойства и создавая опасность в санитарном отношении для окружающего населения. По установленным правилам, все сточные воды перед спуском в открытые водоёмы должны подвергаться очистке.

     Вода  мелких пресных водоёмов (озёр) имеет  слоистую структуру. Для озёр  характерны сезонные и периодические  процессы. Большое значение для  формирования микробных ассоциаций  имеют придонные иловые отложения. В то же время прибрежные зоны сходны с почвой. Содержание микроорганизмов в воде пресных водоёмов ниже, чем в почвах и илах, но достаточно высоко. При анализе качественного состава микрофлоры обнаружены представители всех основных физиологических групп микроорганизмов, обеспечивающих круговорот азота, углерода, фосфора и других элементов. В озёрной воде отмечается чёткое вертикальное распределение бактерий. Максимальное количество бактерий отмечается в летний период, причём в некоторых озёрах на значительной глубине (10м), где было наибольшее количество отмерших водорослей.